Çelik Yapılarda Yapısal Yangın Etkileri ve Pasif Koruma

Çelik Yapılarda Yapısal Yangın Etkileri ve Pasif Koruma

YANGIN!..
Çelik Yapılarda
Yapısal Yangın Etkileri
Pasif Koruma
Prof. Dr. Figen BEYHAN
Gazi Üniversitesi Mimarlık Fakültesi
[email protected]
Binalar…
Yer çekimine inat
sürekli yükselirken
içerisinde sürdürülecek
yaşamların niteliğini de
belirliyor…
Aynı zamanda!..
Gelişen teknoloji ve yapım teknikleri
ile değişiyor…
Sınırsız SEÇENEK…
Sınırsız SEÇME OLASILIĞI…
Mimarlık!..
Yükseliyor… - Genişliyor… - Farklı görsel etkiler arıyor…
Daha büyük kalabalıklara ev sahipliği yapıyor…
SÜREÇ KARMAŞIK!..
Her tercih; kendi özelliklerini
ve risklerini beraberinde
getirir.
Bazen işlev formu bazen form işlevi beraberinde getiriyor...
Bu da farklı malzeme olanaklarını ve yapım tekniklerini
gerektiriyor…
Bazen daha geniş açıklıklara ihtiyaç duyuluyor
veya
yetersiz kent alanlarında düşey olarak yükselen
binalar tercih ediliyor.
Bu
gibi yapılarda mimari tasarımlara
büyük olanaklar tanıyan bir çok
malzeme ve yapım sisteminin
binalarda ki kullanımı her
geçen gün yaygınlaşıyor…
Çelik Yapı
Sistemleri
Birincil taşıyıcı sistemlerin mimarideki görsel zenginliğe katkısı,
kabuk formların değişken yorumu ve buna bağlı olarak ikincil
taşıyıcılarda ihtiyaç duyulan esneklik ve işlenebilirlik,
zamanın her diliminde olduğu gibi, günümüzde de çelik
uygulamalarının tasarımcı ve yatırımcı tarafından tercih
edilmesinin ana sebepleridir.
Ve Çelik;
Tüm olanak ve avantajları ile birlikte riskleri de
beraberinde getiriyor…
Ama RİSK,,
Yönetilemediği
zaman
bir tehdittir.
Biliniyor,
tanımlanıyor
ve kontrol altına alınarak
yönetilebiliyorsa
tehdit
olmaktan uzaklaşacaktır…
Ve… “YANGIN”
Bir Risk…
Yönetilebilir bir risk…
Ancak doğru yönetilemediği
zaman insan kaynaklı
bir Felaket…
OKSİJEN
YANGIN
ÜÇGENİ
YANICI MADDE
ISI
YANMA OLUR !!!
Üçgeni
oluşturan
olmadığında,
bu
zincir
üçünden
bozulur
ve
herhangi
birisi
yangın
olayı
gerçekleşmez.
YANICI MADDE
ISI
..! Ancak yangın bir
kez
başladı
mı
çok çabuk gelişir
ve yayılır.
YANMA OLMAZ
ASLINDA!..
Çelik yanmaz bir malzemedir ve yangın
yüküne herhangi bir etkisi/katkısı yoktur.
ANCAK;
Belirli bir sıcaklık (Kritik Sıcaklık) karşısında
taşıyıcılığını, çok yüksek sıcaklıklarda ise
tüm mekanik özelliklerini kaybeder.
VE!..
427 oC ısıda çekme mukavemetini kaybeder ve 500 oC
ısıda dayanımı neredeyse yarıya iner.
538 oC geçildiğinde deformasyonlar başlar ve 700 oC
ısıda akma gerilmesinin dörtte birine iner.
AYRICA!..
Çelik, çok iyi bir iletken olması nedeniyle yangın
anında yüksek sıcaklığı kolaylıkla ve kısa
zamanda diğer yapı elemanlarına ileteceğinden,
kritik sıcaklığa ulaşılan zamanı kısaltır.
Çelik,
yapı bileşenlerinin
yangın anında davranış
modeli
Çelik taşıyıcılı döşemenin standart
yangın testinde deformasyonu
Yüksek ısı karşısında burkulan
kiriş-kolon bağlantısı
Yüksek ısı karşısında ovalleşen
cıvata/somun boşluğu
?
Windsor Tower
YANGINI
Windsor Tower
Madrid-İSPANYA
Mimar:
Gabinete Alas – Casariego
Bina İşlevi:
Ticaret Merkezi–Ofis Binası
Yapım Yılı: 1974 - 1978
Toplam 32 kat
(3 Bodrum+Zemin+28)
Bina Yüksekliği: 106 m
Taban Alanı: 1000 m2
Plan Tipi: “Açık plan”
Toplam Alan: 20.000 m2
Madrid’in
ilk
modern
gökdelenlerinden…
Taşıyıcı Sistem:
İç kısımda betonarme kolonlar ve çelik kirişlerle
desteklenen betonarme döşemeler ile dış çeperde
çelik kolonlardan oluşan bir taşıyıcı sisteme sahiptir.
!.. Dış taraftaki çelik kolonlar
17. kattan sonra korunmamış...
Bina İspanyanın 1970’lerde sahip olduğu yönetmeliğe
göre yapılmış olduğu için herhangi bir yangın
güvenlik önlemi düşünülmemiş.
Sonradan eklenen
Yangın Merdiveni
17. ve 27. Katlar arasındaki tipik
döşeme planı
Temel yan duvarları ile
doğrultusunda
düşey
hat
Orijinal Kaçış
Merdiveni
uyumlu kuzey-güney
iki
boyunca
betonarme kolonlarla
desteklenen
Çelik Kirişler
Betonarme Kolonlar
Çevre Çelik
Kolonlar
4. ve 16. Katlar arasındaki tipik
döşeme planı
betonarme çekirdeğe
sahip…
Betonarme Perde Duvarlar
Cephede yer alan
perde duvarlar
CEPHE: Çelik kolonlara tutturulmuş alüminyum çerçeveli
yansıtıcı cam panellerden oluşan büyük cam yüzeyler!
Yangın Merdiveni
Asansörler
BA kolonlar
Tuvaletler
1000 m2 iaçık plan
döşeme alanı
Korunmamış asansör ve şaft
boşluklarının yangının
yayılmasındaki etkisi büyük!..
Şaftlar
CEPHE
Tipik bir katta 360 mm derinliğinde çelik I-kiriş ve çelik
çevre kolonlar ile betonarme çekirdek, iç kısımda
betonarme kolonlar tarafından desteklenmiş iki yönlü
uzanan 280mm derinliğinde kaset döşeme mevcut...
Cephe Kuruluşu:
Giydirme cephe
Döşeme kenarlarına ve
yuvarlak çelik kolonlara
sabitlenmiştir.
Cephe sisteminin yatay ve
düşey kayıtları, çelik
kolonlara monte edilmiş
ve bunun üzerine yeni
bir cephe strüktürü
eklenmiştir
VE!...
YANDI….
Tarih: 12 Şubat 2005
Olayın Başlangıç Saati:
23:00
Yangın Nedeni: Kısa devre
Yangın Süresi:
Yaklaşık 18-20 Saat
Yangının Başladığı Kat: 21
Ortalama sıcaklık:
Yaklaşık 820 oC
Binada yapılan onarım çalışmaları
için çatıya yerleştirilmiş olan VİNÇ
!..
* Yenileme Çalışmaları;
- Çeperde yer alan çelik kolonlara yangın yalıtımı
- Sprey boya ile çelik kirişlere yangın koruması
- Yağmurlama sistemi
- Yangın merdiveni ilavesi
- Yeni bir alüminyum kaplama sistemi
Vinç Tabanı
Saat 23:00 sularında 21. Katta
başlayan yangın kısa sürede
(yaklaşık 1 saat) yukarıda kalan
tüm katlara yayılarak büyüdü.
İlerleyen saatlerde, yavaş yavaş 3. teknik
kattan aşağıya doğru yayıldı.
İtfaiyecilerin yangını söndürmesi neredeyse
24 saat sürdü.
Ölen olmayan yangında yedi itfaiye eri
yaralandı.
Kalıntılarının yıkılması 22 milyon euroya
mal olan binanın yıkımı ağustos 2005’te
tamamlanabildi.
!... Yenileme alt kattan yukarı doğru yürütülmüştür.
9. ve 15. kat hariç, 17. kata
kadar çelik elemanların
yangından korunumu için
alınması gereken önlemler
tamamlanmıştı.
!.. Ancak dikey millerdeki boşluklar ve yangın kapıları tam
olarak takılmamış; kaplama ve zemin döşemesi arasındaki
tüm boşluklar da yanmaz malzeme ile kaplanmamıştır.
Döşeme kenarları ile giydirme cephenin arasında kalan
boşluklarda gerekli olan yangın durdurucuların
olmaması hafif cephe strüktürel elemanlarının çok
kısa bir sürede aşırı ısınmasına ve genleşerek cephe
yüzeyinin döşeme kenarından dışarıya doğru
açılmasına/şişmesine yol açmıştır.
Böylece
oluşan
basınçtan
dolayı
camların
kırılmasından önce yangın ve yan ürünlerinin katlar
arasında kolaylıkla yayılmasına neden olmuştur.
9. katta bulunan korumasız
çevresel çelik kolonların yangın
sırasında burkulması
!.. Yangın 17. kattan aşağıya yayılmaya başladığı zaman 9.
ve 15. kat hariç, korunmuş olan çelik kolonlar ayakta
kalabildi. 17. katın altında kalan kısımda ciddi bir
strüktürel zarar görmesine rağmen bina çökmemiştir.
!..
9. ve 15. katlardaki
kolanlar eriyerek tamamen
eğilmesine rağmen, eğilen
kolonların yükünün ayakta
kalan BA kolonlar tarafından
taşınmış olması nedeniyle
konstrüksiyonda bir çökme
meydana gelmemiştir..
Önceki ve olay sırasında yürütülen yangın korunum sistemleri
Ana yangından korunma
sistemi
Yapıldığı zamanda
(1970s ispanya kanunları)
Yangın zamanında(yenileme
sürecinde)
Yangın kompartımanları
×
Konstrüksiyon altında
Yangın durdurucu (kaplama ile
taşıyıcı sistem/özellikle döşeme
arasında)
×
Konstrüksiyon altında
Çelik elemanların yangın
korunumu
×
17.kat ve üstü: henüz tamamlanmamış
(18.kat kısmen tamamlanmış)
4 ~ 15 kat : tamamlanmış
(9 ve 15. Kat hariç)
Beton elemanlarda yangın
koruma
×
×
Sprinkler sistemi
×
Konstrüksiyon altında
Yangın alarm sistemi
√
√
Kuru söndürme sistemi
(Dry riser system)
√
√
!..
Yüksek sıcaklık ile yalıtım ve yapı malzemelerinde
meydana gelen sayısız patlamalar…
2 Saat Sonra!...
!..
Binanın tamamen çökmesi korkusu ile binanın
çevresindeki tüm yollar ve binalar boşaltıldı.
3.5 saat sonra çevre
kasabalardan yangının
görünüşü!...
Sabaha karşı!...
Tüm şehri saran yoğun duman tabakası!...
Halen kurulum aşamasında olan
yağmurlama sistemlerinin eksikliği
yangının kontrol altına alınmasının
önüne geçti !...
!...
“Kalın
duman
tabakası” ve “yüksek
sıcaklık”
ekiplerinin
söndürme
binaya
yaklaşmasını engelledi.
Paseo de la Castellana İngiliz Mahkemesi Binasının binasının çatısına
konuşlanmış bir itfaiye ekibi yangını söndürmeye çalışıyor!...
Saat 14.00 sularından bir görünüm…
Yangının tam olarak söndürülmesi saat 17.00’yi buldu!..
İlave yangın merdiveni
ayakta kaldı!...
Döşemeler büyük oranda
çöktü!...
“Düşey kompartımanların
olmayışı
ve
döşemeler
ile
cephede var olan boşlukların
yetkin bir şekilde yalıtılmamış
olması” nedeniyle kısa süre
içerisinde birden fazla kata
yangının kolaylıkla yayılmasını
sağlamıştır!
17. kat altında hasarın daha az
olması bu nedenledir.
Öte yandan;
“Betonarme merkezi çekirdek,
perde duvarlar, kolonlar, kaset
döşeme
ve
katlarının
yük
transfer
varlığı
böyle
şiddetli bir yangında çok iyi
bir performans sergilemiştir.”
düşüncesi
yangınları
çok
için
katlı
bina
çekirdek
çözümlerinin önemini ortaya
koymuştur.
First Interstate Bank
YANGINI
First Interstate Bank
(AON Center)
Los Angeles - USA
Mimar:
The Luckman Partnership
Bina İşlevi: Ofis Binası
Yapım Yılı: 1973
Toplam 62 kat
Bina Yüksekliği: 262 m
Taban Alanı: > 2000 m2
Kullanıcı sayısının yaklaşık
4000 kişi olduğu Interstate
Banka Binası 1973’te inşa
edildiği
Angeles’ın
binası idi.
zaman
en
Los
yüksek
Taşıyıcı Sistem:
Yangına karşı iyi korunmuş çelik
taşıyıcı sistem...
Taşıyıcı sistemde yer alan elemanlar püskürtme sıva ile
yangına karşı korunmuş, döşemelerde ise hafif beton
kullanılmıştır....
3 bodrum katında yer alan 579 araç kapasiteli kapalı otopark
yalıtımlı beton strüktürle desteklenmiştir.
Bodrumda yer alan bu otoparkta üç asansör ofis binası ile ve 2.
Bodrum Katta hem yaya hem de taşıtların kullanabileceği bir
tünel, sokak ile bağlantı kurmaktadır.
Binanın merkezine konumlandırılan çekirdek
Strüktürleri betonarme olan merdivenlerin 2 tanesi ana
havalandırma bacasına yakın konumlandırılmıştır.
- 4 ana merdiven,
Asansör Holü
- Yolcu asansörleri,
- 3 servis ve yük asansörü,
- 2 yürüyen merdiven
MERDİVENLER
Ana
merdivenler
aynı
zamanda
MERDİVENLER
yangın ve acil çıkış
merdiveni
Binanın merkezine
konumlandırılan çekirdek
olarak kullanılmaktadır.
Cephe Kuruluşu:
Giydirme cephe
Döşeme kenarlarına ve
çelik
kolonlara
sabitlenmiş cam ve
alüminyum
giydirme
cephe.
Boşluk, konsol veya
geri
çekmenin
olmadığı düz bir
cephe geometrisi…
VE!...
YANDI….
Tarih: 04 Mayıs 1988
Olayın Başlangıç Saati:
22:38
Yangın Nedeni:
(Kesin olmamakla birlikte)
Elektrik Kontağı
Yangın Süresi:
Yaklaşık 3 saat 40 dakika
Yangının Başladığı Kat: 12
Etkilediği katlar: 12-16
12. kattan 16. kata kadar
yayılan yangın ancak beş
katın hepsi
tamamen
yandıktan sonra kontrol
altına alınabilmiştir.
Yangın
anında
bazıları
temizlik, bakım ve onarım
işçileri bazıları ise geç
saatlere
kadar
ofiste
çalışan işçilerden olmak
üzere binada 50 kişi
bulunmaktadır…
Yangın
güvenlik
yerleştirilmeyen
kapısı
servis
asansör kuyuları yangın
sırasında
baca
gibi
çalışarak yüksek sıcaklık
ve
yoğun
dumanı
üst
katlara taşıdı.
Böylece yangın kısa sürede
12.kattan 16. kata kadar
yayılmasında önemli bir
rol oynadı…
22. KATTAKİ MERDİVENLERDE DÖŞEMEDEN SIZAN DUMAN
YETKİN BİR
KOMPARTIMASYON
ÇÖZÜMÜ YOK!..
Yangın sırasında aşırı sıcaklık ve duman merdivenlerdeki
acil ışık sisteminin çalışmasını durdurdu…
Cephe yüzeyinde
yaklaşık 9,5-10 m alev yüksekliği!..
SORUN:
Düz cephe geometrisinde “alev
saptırıcı” herhangi bir girinti
çıkıntı
veya
elemanın
olmaması!
12. Kattan 16. kata kadar tüm dış
cephede
camlar
kırılarak
binanın tüm çevresine dağıldı.
Kırılan cam parçaları ve enkaz
yüzünden su hortumları birçok
kez kesildi ve yenilenmek
zorunda kaldı…
Ayrıca zaman zaman yangın
pompalarındaki
mevcut
su
basıncı azalarak müdahalenin
gecikmesine neden oldu.
Yapıda bodrum katlar ve tünel hariç hiçbir yerde otomatik
yangın söndürme sistemi bulunmamaktadır. Çünkü
yapıldığı tarihte yürürlükte olan yönetmeliklerde böyle
bir zorunluluk yer almamaktadır.
Ancak binanın çelik strüktürü yangına karşı çok iyi
yalıtılmıştır.
Asma kat üzerinde bulunan ve binanın bütün bölümlerine
hizmet eden yangın güvenlik sistemi yer almaktadır.
“Yangın alarmı, duman detektörleri ve
sabit boru hortumu”
O Halde;
“Binalarda Güvenli Bir Yaşam Hakkı” için
Nasıl Bir Yangın Güvenliği?
. Hükümleri Yerine Getirme
. Performansa Dayalı Tasarım
Tasarım sürecindeki önemli bir soru:
“Bizim güvenliğe ilişkin sorunumuz nedir?”
Yasal Hükümler Gereği
. Tek düzen yangın yönetmeliği
. Yerel yangın yönetmelikleri
. Diğer yönetmelikler
. Bina kodları
. Ürün standartları
. Tasarım standartları
Risk Yönetimi Gereği
. Can güvenliği tehdidi
. Mal kaybı/ekonomik zarar
. İş kesintisi/iş gücü kaybı
. Çevresel zarar
. Düzenleyici cezalar
. Medyanın tepkisi
Önemli !...
Çelik binalarda yangın
güvenliği bir bağlam olarak
tasarım aşamasından itibaren
sürece dahil olmalıdır.
Çelik Yapı Elemanlarını Yangından Koruma Yöntemleri:
. Kütlesel Yalıtım
. Çerçeveyi Sarma Yöntemleri ile Yalıtım
. Kutuya Alma – Plakalar/Levhalar ile Yalıtım
.Çelik Bileşenlerde Su Dolaştırılarak Soğutulması ile
Korunum
. Kolonların Dışarıya Alınması Yöntemi ile Korunum
AMAÇ: Yangın anında güvenli kaçış ve yangına etkili
müdahale için yeterli zamanı kazandırabilmek
ÖRNEK
Bir BİNA
Prof. Dr. Figen BEYHAN
Gazi Üniversitesi Mimarlık Fakültesi
[email protected]
DEXIA-BIL Ana Ofis Binası
Mimari Proje: Claude Vasconi&Jean Petit
Mühendislik: Engineer Bollinger+Grohmann and Simon & Christiansen
Bina İşlevi: Ofis Binası
Yapım Yılı: 2003-2006
Bina Yüksekliği:
33 m’de çelik ve cam bir
çatı ile örtülmüş atrium
ve çevresinde 3 blok
A Blok :19 Kat -75 m
B-C Bloklar: 39 m
4 Bodrum Kat
(1400 araçlık otopark)
Bina Alanı: 67000 m2
Taşıyıcı Sistem:
Kompozit çerçeve/iskelet
Kolonlar
ve
kirişler
görünür/çıplak saklanmış,
korunmamış çelik yüzeyler
mevcuttur
ve
çeliğin
filigran dokusu tamamen
ortada bırakılmıştır.
Aktif
yangın
güvenlik
önlemlerinin
tamamı
uygulanmıştır (EN 1991-1-2).
Kompozit kirişlerle desteklenen 9 kompozit
dairesel kolon
Kolonlar iki kısımdan oluşmaktadır:
1.İç kısımda yer alan merkezi çelik profil
2. İç profili saran dıştaki yuvarlak çelik tüp
Merkezi çelik profilin
etrafı 100 mm
aralıklarla 10 mm
çapında bir sprial
donatı
ile
çevrelenmiştir.
Kompozit hareketi garantilemek için çelik profillere
bağlayıcı makaslar kaynaklanmıştır.
Dıştaki çelik tüp içerisine beton dökülerek merkezi çelik
koruma altına alınmıştır.
Özel nitelikli kompozit kirişlere döşemelerden ve
cepheden aktarılan yükler kolonlar tarafından
karşılanmaktadır.
Kirişler ise;
. Kompozittir ve en çok 6 ve 15.4 m iki hat şeklinde
devam etmektedir.
. Kirişler 35 derecenin üzerinde çeşitli açılarla orta
destekten 2,7 m mesafede boylamasına aksa göre ana
akstan içeriye içine doğru bükülmüştür.
. Kirişlerin oluşturduğu ağ çeşitli boyutlarda çeşitli
açıklıklar içermektedir.
Kirişler farklı yüksekliklerle kesişim
noktalarına kaynaklanarak
oluşturulmuştur.
1. Tipik bir kompozit kiriş
2. Kompozit kolon
6. kattan 16. kata kadar olan döşemeleri destekleyen
bütün kompozit kirişlerin yuvarlak çelik flanşı ve
alttan görünüşü
İçeride H kesitli çelik profil ve dışarıda çelik
tüpten oluşan ve atriumda 20 m yüksekliğe
kadar uzanan ince kompozit kolonlar
33
m
yukarıda
3
boyutlu çelik kiriş
gibi
çalışarak
atriumu örten çatı